PT2069547E - Steel composition for special uses, in particular in the automotive field - Google Patents
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Abstract
Description
11
DESCRIÇÃO "COMPOSIÇÕES DE AÇO, PARA APLICAÇÕES ESPECIAIS, EM PARTICULAR NO SETOR AUTOMÓVEL" A invenção diz respeito aos aços especiais e refere-se mais particularmente à utilização de uma composição de aço, especialmente no setor automóvel.DESCRIPTION " STEEL COMPOSITIONS, FOR SPECIAL APPLICATIONS, IN PARTICULAR IN THE AUTOMOBILE SECTOR " The invention relates to special steels and relates more particularly to the use of a steel composition, especially in the automotive sector.
Existem numerosas composições de aço que correspondem geralmente a "foles" cujos teores nos seus principais elementos constitutivos são definidos por normas.There are numerous steel compositions which generally correspond to " bellows " whose contents in its main constituent elements are defined by norms.
Os industriais estão constantemente à procura de composições de aço para satisfazerem necessidades específicas onde predominam restrições particularmente pesadas. É neste contexto que a Requerente apresentou o problema de procurar composições de aço e portanto peças que podem ser obtidas a partir dessas composições, que sejam suscetíveis de satisfazerem as novas restrições ambientais e de resistência à fadiga a quente encontradas em particular em aplicações do setor automóvel. 0 problema supracitado apresenta-se sob dois aspetos, por um lado as restrições em matéria de emissão dos gases de escape, e por outro lado as restrições ligadas aos problemas da vida e de fim de vida útil dos veículos automóveis, da sua desconstrução e da reciclagem dos seus componentes.Industrialists are constantly on the lookout for steel compositions to meet specific needs where particularly heavy constraints prevail. It is in this context that the Applicant has presented the problem of searching for steel compositions and therefore parts obtainable therefrom which are capable of meeting the new environmental and heat stress resistance constraints encountered in particular in automotive applications . The above problem has two aspects, on the one hand, the restrictions on the emission of exhaust gases, and on the other hand the restrictions linked to the problems of life and end of life of motor vehicles, their deconstruction and the recycling of its components.
Recordar-se-á a este respeito que a Comunidade Europeia especificou na sua Diretiva 70/220/EEC limites 2 impostos aos novos veículos ligeiros (categoria Ml e Nl), quer dizer um nível "de emissão padrão" cujos valores expressos em termos de peso rejeitado ao quilómetro (g/km) se referem às emissões seguintes: CO, HC, HC+NOx, NOx, PM. 0 termo "PM" é a abreviatura da expressão anglo-saxónica "Particulate Material" que significa "material particular".It will be recalled in this respect that the European Community specified in its Directive 70/220 / EEC limits 2 taxes on new light vehicles (category Ml and Nl), that is to say a standard emission level " (g / km) refer to the following emissions: CO, HC, HC + NOx, NOx, PM. The term " PM " is the abbreviation for the Anglo-Saxon expression " Particulate Material " which means " particular material ".
Esses valores têm sido revistos regularmente para baixo à medida da sua atualização, cujas etapas no tempo foram ou serão: - em julho de 1992 a norma Euro 1 - em janeiro de 1996 a norma Euro 2, IDI e Dl - em janeiro de 2000 a norma Euro 3 - em janeiro de 2005 a norma Euro 4 - e em meados de 2008 a norma Euro 5These values have been regularly reviewed down to the extent of their updating, whose stages in time were or will be: - in July 1992 the Euro 1 standard - in January 1996 the Euro 2, IDI and Dl - in January 2000 the Euro 3 standard - in January 2005 the Euro 4 standard - and in mid-2008 the Euro 5 standard
Por outro lado, as restrições que se referem ao fim de vida útil dos veículos estão definidas na Diretiva Europeia 2000/53/EC de 18 de setembro de 2000 e apresentam igualmente nos veículos segmentos Ml e Nl. Essa Diretiva insiste entre outras na obrigação, para os construtores de automóveis, de procurarem e de aplicarem soluções que permitem uma reciclagem ótima dos diferentes componentes.On the other hand, the restrictions on the end of life of vehicles are defined in the European Directive 2000/53 / EC of 18 September 2000 and also present in vehicles vehicles M1 and N1. This Directive insists inter alia on the obligation for car manufacturers to seek and apply solutions that allow optimum recycling of the different components.
Essas restrições diferentes têm consequências sobre as características dos veículos e mais particularmente sobre as características técnicas dos motores e dos seus diferentes componentes.These different restrictions have consequences on the characteristics of the vehicles and more particularly on the technical characteristics of the engines and their different components.
Assim, as primeiras restrições obrigaram os construtores de automóveis no processo da redução do consumo dos motores mantendo, até mesmo aumentando, a sua potência de modo a atingirem valores conhecidos para 3 motores de maior cilindrada de acordo com as conceções anteriores.Thus, the first restrictions forced motor vehicle manufacturers to reduce engine consumption by maintaining, even increasing, their power in order to reach known values for 3 larger displacement engines in accordance with the previous concepts.
Este objetivo pôde ser alcançado combinando dois fatores, a saber por um lado a redução da cilindrada dos motores, e por outro lado o aumento da sua pressão de funcionamento como corolário um aumento da temperatura de funcionamento, permitindo no todo melhorar o rendimento térmico desses novos motores.This objective could be achieved by combining two factors, namely the reduction of engine displacement and the increase in operating pressure as a corollary to an increase in the operating temperature, allowing the whole to improve the thermal performance of these new engines engines.
Uma consequência desse aumento de temperatura de funcionamento é o aumento da temperatura dos gases de escape, que passou de 400°C aproximadamente para cerca de 700°C, até mesmo mais longe.A consequence of this increase in operating temperature is the increase in the temperature of the exhaust gases, which went from about 400 ° C to about 700 ° C, even further.
Por outro lado, a fim de reduzir neste tipo de motor os valores de emissões por causa de em primeiro lugar dos "não queimados", foi adaptado um sistema de reciclagem dos gases de escape que são injetados de novo no circuito de alimentação do motor.On the other hand, in order to reduce in this type of engine the emission values because of first of the " unburned ", has been adapted an exhaust gas recycling system which are injected back into the engine feed circuit .
Os gases de escape são assim tornados a injetar, ou repostos em circulação, por meio de um "sistema de reciclagem de gases de escape" chamado também "Exhaust Gas Recycling" (termo anglo-saxónico conhecido pela sua abreviatura EGR), sendo esse sistema constituído por diversos componentes, cujos tubos são de aço.The exhaust gases are thus re-injected, or replaced in circulation, by an " exhaust gas recycling system " also called " Exhaust Gas Recycling " (Anglo-Saxon term known by its abbreviation EGR), being this system constituted by several components, whose tubes are of steel.
Esses sistemas de reciclagem constituem componentes submetidos a tensões particularmente elevadas. É especialmente o caso do tubo referido "tubo EGR" que conduz os gases de escape no trocador de calor que serve para o arrefecimento dos gases de escape antes da sua injeção no motor. Esse tubo é com efeito atravessado por gases de 4 escape cuja temperatura pode atingir e ultrapassar 700°C. O trocador de calor compreende um elemento tubular chamado "refrigerador" ("cooler" em inglês) que é atravessado por um líquido de arrefecimento cuja temperatura em funcionamento normal é habitualmente da ordem de 80 a 100°C.Such recycling systems are components subjected to particularly high stresses. It is especially the case of the tube referred to " EGR tube " which carries the exhaust gas into the heat exchanger which serves to cool the exhaust gases prior to their injection into the engine. This tube is in effect traversed by exhaust gases whose temperature can reach and exceed 700 ° C. The heat exchanger comprises a tubular element called " refrigerator " (" cooler ") which is passed through a coolant whose temperature in normal operation is usually in the range of 80 to 100 ° C.
Por outro lado, as restrições ambientais em matéria de vida útil dos veículos e dos seus motores, assim como as restrições em matéria de desconstrução dos veículos levaram os construtores a procurarem materiais particularmente resistentes. Esses materiais devem resistir à corrosão que pode ser provocada pelos gases e outros componentes corrosivos que resultam da combustão dos carburantes e igualmente pelos condensados que se formam quando o motor está parado. Devem além disso ter uma boa resistência à fadiga a quente devido às pressões mecânicas e vibratórias a que estão submetidos esses elementos de ambiente motor. Mas esses materiais devem igualmente possuir características de resistência no tempo permitindo-lhes, quer no momento das reposições de peças, quer no momento da desconstrução dos veículos, recuperar os componentes usados ou em falta que podem ser reciclados.On the other hand, environmental restrictions on the life of vehicles and their engines, as well as restrictions on deconstruction of vehicles have led manufacturers to look for particularly strong materials. These materials must withstand the corrosion that can be caused by the gases and other corrosive components that result from the combustion of the fuels and also by the condensates that form when the engine is stopped. They should furthermore have a good resistance to hot fatigue due to the mechanical and vibratory pressures to which these engine environment elements are subject. But these materials must also have characteristics of resistance in time allowing them, both at the time of the replacement of parts and at the time of deconstruction of vehicles, to recover used or missing components that can be recycled.
Mais, os tubos que servem para o fabrico dos elementos que devem ser reunidos para constituírem esses equipamentos devem estar aptos para suportarem deformações a frio e operações de soldagem no momento das etapas de produção e de montagem dos elementos com o objetivo de constituir o conjunto chamado EGR. Os materiais que constituem esses elementos devem assim ser à medida de poderem suportar alongamentos no mínimo de 40% sem danos pela sua utilização ulterior. 5In addition, the pipes used to manufacture the elements to be assembled to form such equipment must be capable of withstanding cold deformations and welding operations at the time of production and assembly of the elements in order to constitute the assembly called EGR. The materials constituting these elements must therefore be capable of withstanding stretching of at least 40% without damage by their subsequent use. 5
Por essas diferentes razões os construtores estão à procura de soluções que aplicam metais ou as suas ligas que apresentam uma boa resistência à corrosão e uma boa resistência à fadiga a quente e que podem ser reciclados.For these different reasons builders are looking for solutions that apply metals or their alloys that have good corrosion resistance and good resistance to hot fatigue and which can be recycled.
No que se refere à firmeza (ou resistência) à fadiga, um limite mínimo a ultrapassar servindo bastante correntemente de valor significativo no setor da construção mecânica, e em particular da construção automóvel, é o número de 1 000 000 ciclos.With regard to firmness (or resistance) to fatigue, a minimum threshold to be exceeded, serving quite a current of significant value in the mechanical engineering sector, and in particular motor vehicle construction, is the number of 1 000 000 cycles.
Noutros termos, os construtores de automóveis, quando caracterizam através de ensaios de resistência à fadiga os desempenhos dos componentes destinados à construção dos veículos, são frequentemente levados a afastar as soluções técnicas que não permitem atingir e ultrapassar esse número mínimo de ciclos sob certas condições ou restrições referentes a cada tipo de componentes. É nesse contexto que a Requerente procurou soluções partindo de composições de aço conhecidas e cujas propriedades não tinham sido completamente exploradas. O estado da técnica é ilustrado pelos documentos seguintes. - FR—A—1—2 283 238 (AVESTA JERNVERKS AB [SE]) 26 de março de 1976 (1976-03-26) - US-A-4-224 062 (DARNFORS SVEN) 23 de setembro de 1980 (1980-09-23) - http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/1563541 A-23AD-4869-A5BF- D4FlFC963257/2415/StainlessSteelApplicationsAutomotive.pdf Extrato da Internet:Url:http://www.worldstainless.org/About+st 6 ainless/What+can/Transportation/Automotive+Applications/Document s+Listing.htm> - Extrato da Internet:URL:www.outkumpu.com> - ANDERSSON ET AL:"Low cycle fatigue of four stainless steels in 20% CO-80% H2" INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE, BUTTERWORTH SCIENTIFIC LTD, GUILDFORD, GB, vol. 29, no. 1, Janeiro de 2007 (2007-01), páginas 119-127, ISSN: 0142-1123 - SANDSTROEM R ET AL: "Elevated temperature low cycle fatigue of the austenitic stainless steels type 316 and 253 MA-influence of microstructure and damage mechanisms" HIGH TEMPERATURE TECHNOLOGY SCIENTIFIC LTD, GUILFORD, UK, vol. 7, 1989, páginas 2-10, - LINDE L ET AL: "Thermo-mechanical and low cycle fatigue behaviour of the austenitic stainless Steel 253 MA" SWEDISCH INSTITUT FOR METAL RESEARCH, vol. IM-1999-15, Abril de 1999 (1999-04), páginas 1-28,In other words, motor vehicle manufacturers, when characterized by fatigue strength tests, perform the performance of components intended for the construction of vehicles, are often led to discard technical solutions which do not meet and exceed this minimum number of cycles under certain conditions or restrictions for each type of components. It is in this context that the Applicant sought solutions from known steel compositions and whose properties had not been fully exploited. The prior art is illustrated by the following documents. - FR-A-1-2 283 238 (AVESTA JERNVERKS AB [SE]) March 26, 1976 (1976-03-26) - US-A-4-224 062 (DARNFORS SVEN) September 23, 1980 -09-23) - http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/1563541 A-23AD-4869-A5BF-D4FlFC963257 / 2415 / StainlessSteelApplicationsAutomotive.pdf Extract from the Internet: Url: http: //www.worldstainless. org / About + st 6 ainless / What + can / Transportation / Automotive + Applications / Document s + Listing.htm > - Extract from the Internet: URL: www.outkumpu.com > - ANDERSSON ET AL: " Low cycle fatigue of four stainless steels in 20% CO-80% H2 " INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE, BUTTERWORTH SCIENTIFIC LTD, GUILDFORD, GB, vol. 29, no. 1, January 2007 (2007-01), pages 119-127, ISSN: 0142-1123 - SANDSTROEM R ET AL: " Elevated temperature low cycle fatigue of the austenitic stainless steels type 316 and 253 MA-influence of microstructure and damage mechanisms " HIGH TEMPERATURE TECHNOLOGY SCIENTIFIC LTD, GUILFORD, UK, vol. 7, 1989, pages 2-10, LINDE L ET AL: " Thermo-mechanical and low cycle fatigue behavior of the austenitic stainless steel 253 MA " SWEDISCH INSTITUT FOR METAL RESEARCH, vol. IM-1999-15, April 1999 (1999-04), pages 1-28,
Estes documentos referem-se às composições de aço para aplicações especiais no setor automóvel. No entanto nenhum desses documentos descreve ou sugere a utilização de tais composições para o fabrico de um tubo de circuito de reciclagem de gases de escape (circuito EGR), em condições de resistência elevada à fadiga a quente, como definidas mais adiante. A invenção refere-se mais particularmente à utilização de uma composição de aço, que apresenta os seguintes teores em que as percentagens são expressas em peso: Carbono : 0,04a 0,20% Silício : 1,00a 2,50% Cromo: 16, 0 a 25, 0% Níquel: 8,0 a 15, 0% Azoto: 0,10 a 0,20% Cério: 0,03 a 0,08% 7 e os seguintes teores suplementares eventuais:These documents refer to steel compositions for special applications in the automotive sector. However none of these documents describes or suggests the use of such compositions for the manufacture of an exhaust gas recycling circuit (EGR circuit) under conditions of high resistance to hot fatigue as defined below. The invention relates more particularly to the use of a steel composition having the following percentages by weight: Carbon: 0.04 to 0.20% Silicon: 1.00 to 2.50% Chromium: 16 , 0 to 25.0% Nickel: 8.0 to 15.0% Nitrogen: 0.10 to 0.20% Cerium: 0.03 to 0.08% 7 and the following additional contents:
Manganês: 1,00% no máximo Fósforo: 0,045% no máximoManganese: 1,00% maximum Phosphorus: 0,045% maximum
Enxofre: 0,030% no máximo sendo o complemento constituído por Ferro e impurezas eventuais, para a fabricação de um tubo de circuito de reciclagem de gases de escape (circuito EGR) em que o tubo apresenta uma resistência elevada à fadiga a quente representando em número de ciclos que ultrapassam 1 000 000 de ciclos, a temperaturas de pelo menos 700 °C, sob tensões de 3 00 MPa no estado de recozimento e de 800 MPa no estado de endurecimento.Sulfur: 0,030% maximum, the complement consisting of iron and impurities, for the manufacture of an exhaust gas recycling tube (EGR circuit) in which the tube has a high resistance to hot fatigue, representing in number of cycles in excess of 1,000,000 cycles, at temperatures of at least 700 ° C, under tensions of 300 MPa in the annealed state and 800 MPa in the hardening state.
Com efeito, amostras obtidas a partir de uma composição de acordo com a invenção foram testadas e permitiram colocar parcialmente, de acordo com os casos, pontos das curvas de Wõhler a temperaturas de 20°C, 400°C e 700°C sob valores de tensões máximas que se situam entre 250 e 700 MPa no estado de recozimento e entre 600 e 1200 MPa no estado de endurecimento.In fact, samples obtained from a composition according to the invention were tested and allowed to place portions of the Wöhler curves according to the cases at temperatures of 20 ° C, 400 ° C and 700 ° C under values of maximum tensions that are between 250 and 700 MPa in the annealing state and between 600 and 1200 MPa in the hardening state.
Esses traçados põem em evidência uma resistência à fadiga a quente (700°C) de um mínimo de 1 000 000 de ciclos sob tensão máxima de 300 MPa no estado de recozimento e de 800 MPa no estado de endurecimento. No quadro da invenção, retém-se igualmente como valor significativo de resistência à fadiga a quente o algarismo 1 000 000 de ciclos, valor bastante utilizado correntemente no setor da construção mecânica e em particular do setor automóvel como limite mínimo a atingir.These strokes expose a hot fatigue (700 ° C) resistance of a minimum of 1 000 000 cycles under maximum stress of 300 MPa in the annealed state and 800 MPa in the hardening state. In the context of the invention, a figure of 1 000 000 cycles is also retained as a significant value of resistance to hot fatigue, a value widely used in mechanical engineering and in particular in the automotive sector as the minimum threshold to be attained.
Na composição da invenção, o ferro é evidentemente o constituinte predominante. No entanto, além dos teores mencionados mais acima, a composição pode compreender outros constituintes menores, por exemplo nos traços e também nas impurezas eventuais.In the composition of the invention, iron is evidently the predominant constituent. However, in addition to the contents mentioned above, the composition may comprise other minor constituents, for example in the trace and also in any impurities.
Diferentes ensaios executados sobre composições de aço respondendo às características supracitadas permitiram mostrar que essas composições apresentavam especialmente importantes propriedades de resistência à fadiga a quente em condições de temperatura superior ou igual a 700°C.Different tests performed on steel compositions responding to the above characteristics have shown that these compositions exhibited especially important hot fatigue resistance properties at temperatures of greater than or equal to 700 ° C.
Essas composições de aço, que são composições de aço inoxidável de tipo austenítico permitem realizar componentes com formas específicas, em particular componentes tubulares, por diferentes processos de enformação conhecidos, especialmente por hidroformação. Essas composições são pois particularmente bem adequadas para a realização de componentes para sistemas EGR como definidos precedentemente.Such steel compositions which are austenitic type stainless steel compositions allow to realize components with specific shapes, in particular tubular components, by different known forming processes, in particular by hydroforming. Such compositions are therefore particularly well suited for making components for EGR systems as defined above.
Num modo de realização preferencial da invenção, a composição de aço compreende os teores seguintes:In a preferred embodiment of the invention, the steel composition comprises the following amounts:
Carbono: Silício: Cromo: Níquel: Azoto: Cério: A composição próximas. 0,04 a 0,20 % 1.00 a 2,50% 18.0 a 22,0% 9,0a 12,0% 0,10 a 0,20% 0,03 a 0,08% da invenção constitui duas subfamílias 9Carbon: Silicon: Chrome: Nickel: Nitrogen: Cerium: The composition close. 0.04 to 0.20% 1.00 to 2.50% 18.0 to 22.0% 9.0 to 12.0% 0.10 to 0.20% 0.03 to 0.08% of the invention comprises two subfamilies 9
Numa primeira subfamília, a composição da invenção compreende os teores seguintes:In a first sub-family, the composition of the invention comprises the following contents:
Carbono: 0,04 a 0, 08% Silício: 1,00 a 2, 00% Cromo: 18,0 a 20, 0% Níquel: 9,0 a 11,0% Azoto: 0,12 a 0,20% Cério: 0,03 a 0, 08%Carbon: 0.04 to 0.08% Silicon: 1.00 to 2.00% Chromium: 18.0 to 20.0% Nickel: 9.0 to 11.0% Nitrogen: 0.12 to 0.20% Cerium: 0.03 to 0.08%
Esta primeira subfamília inclui um tom conhecido que é caracterizado por teores suplementares de manganês, de fósforo e de enxofre. Trata-se do tom 1.4818 de acordo com a norma NF EN ou ainda S30415 de acordo com a norma ASTM.This first subfamily includes a known tone which is characterized by supplemental levels of manganese, phosphorus and sulfur. This is the 1.4818 tone according to the NF EN standard or S30415 according to ASTM.
Numa segunda subfamília, a composição da invenção compreende os teores seguintes:In a second sub-family, the composition of the invention comprises the following contents:
Carbono: 0,05 a 0,12% Silício: 1, 40 a 2,50% Cromo: 20,0 a 22,0% Níquel: 10,0 a 12,0% Azoto: 0,12 a 0,20% Cério: 0,03 a 0,08%Carbon: 0.05 to 0.12% Silicon: 1.40 to 2.50% Chromium: 20.0 to 22.0% Nickel: 10.0 to 12.0% Nitrogen: 0.12 to 0.20% Cerium: 0.03 to 0.08%
Esta segunda subfamília inclui um tom que é caracterizado por teores suplementares de manganês, de fósforo e de enxofre. Trata-se do tom 1.4835 de acordo com a norma NF EN ou ainda S30815 de acordo com a norma ASTM.This second subfamily includes a tone that is characterized by supplemental levels of manganese, phosphorus and sulfur. It is the 1.4835 tone according to the NF EN standard or even S30815 according to ASTM.
Na utilização de acordo com a invenção, o tubo é um tubo direito que pode ser obtido por soldagem longitudinal de uma tira de metal, ou banda, de acordo com os processos 10 bem conhecidos pelo homem da técnica para o fabrico de tubos soldados. O tubo pode igualmente ser obtido por laminagem, em particular um processo de laminagem a quente, seguido se necessário de uma laminagem a frio, de acordo com as caracteristicas dimensionais e mecânicas necessárias ao seu uso ou às suas transformações ulteriores. É igualmente possível realizar o tubo por extrusão ou por estiragem. Estes processos são igualmente bem conhecidos pelo homem da técnica.In use according to the invention, the pipe is a straight pipe which can be obtained by longitudinal welding of a strip of metal, or web, according to methods well known to man of the art for the manufacture of welded pipes. The tube may also be obtained by rolling, in particular a hot rolling process, followed if necessary by a cold rolling, according to the dimensional and mechanical characteristics required for its use or its subsequent transformations. It is also possible to realize the tube by extrusion or drawing. These processes are also well known to man in the art.
Sob um outro aspeto, a invenção refere-se a um tubo de circuito de reciclagem (ou recirculação) de gases de escape (circuito EGR) para um motor térmico de veículo automóvel, obtido por transformação de um tubo tal como definido precedentemente.In another aspect, the invention relates to an exhaust gas recycling (or recirculating) circuit tube (EGR circuit) for a motor vehicle thermal engine obtained by transforming a pipe as defined above.
Para a realização de um tal tubo, ou parte de um elemento tubular direito de dimensões escolhidas ao qual se submetem operações de transformação em geral a frio. Essas operações de transformação podem compreender por exemplo etapas de enformação de ondulações circulares (chamadas igualmente "foles") por hidroformação, de arqueamento, de alargamento ou qualquer outra operação com o objetivo de obter o tubo de acordo com o plano tal como definido pelo seu criador. O tubo EGR pode ser obtido quer no estado de recozimento, quer no estado não tratado termicamente após deformação a frio, em função da aplicação referida. No caso dos circuitos EGR, os tubos obtidos poderão anteriormente à sua montagem serem tratados termicamente, se as condições da sua deformação conduzirem à necessidade de efetuar um tratamento térmico a fim de os tornar aptos para responderem às suas condições ulteriores de utilização. 11For the realization of such a tube, or part of a right tubular element of chosen dimensions to which processing operations in general are subjected in cold. Such transformation operations may for example comprise steps of forming circular undulations (also called " bellows ") by hydroforming, bending, widening or any other operation in order to obtain the tube according to the plane as defined by its creator. The EGR tube can be obtained either in the annealed state or in the untreated state after cold deformation, depending on the application concerned. In the case of EGR circuits, the tubes obtained may be thermally treated prior to assembly if the conditions of their deformation lead to the need for heat treatment in order to enable them to meet their subsequent conditions of use. 11
Na descrição que se segue, dada somente a título de exemplo, referem-se os desenhos em anexo, sobre os quais: - a figura 1 representa esquematicamente uma máquina de tração/compressão utilizada para testar provetas realizadas a partir de composições de acordo com a invenção e a partir de provetas de referência para fins de comparação; - a figura 2 representa quatro curvas de WÕHLER obtidas a partir de ensaios executados sobre a máquina da figura 1 e respetivamente sobre peças realizadas nas quatro composições de aço que têm aplicações conhecidas em setores como a siderurgia, as cimenteiras, o fabrico de peças para fornos, sendo os ensaios conduzidos a uma temperatura ambiente (20°C) e sobre amostras no estado de recozimento; - a figura 3 representa quatro curvas de WÕHLER obtidas em condições análogas às da figura 2, a não ser que as quatro provetas estejam no estado trabalhado a frio; - a figura 4 retoma duas das curvas da figura 2 e mostra pontos de medida provenientes de ensaios executados a 400°C e 700°C por duas amostras no estado de recozimento; - a figura 5 retoma duas das curvas da figura 3 e mostra pontos de medida provenientes de ensaios executados a 400°C e 700°C por duas amostras no estado trabalhado a frio; e - a figura 6 representa um componente de um sistema EGR realizado numa composição de aço de acordo com a invenção.In the following description, given by way of example only, the attached drawings relate to: FIG. 1 shows schematically a tensile / compression machine used for testing test tubes made from compositions according to the invention; invention and from reference gauges for comparison purposes; Figure 2 shows four WÖHLER curves obtained from tests performed on the machine of figure 1 and respectively on parts made in the four steel compositions which have known applications in sectors such as steelworks, cement works, the manufacture of parts for kilns , the tests being conducted at an ambient temperature (20 ° C) and on samples in the annealed state; Figure 3 shows four WÖHLER curves obtained under conditions analogous to those in figure 2, unless the four test tubes are in the cold worked state; Figure 4 takes up two of the curves of Figure 2 and shows measurement points from tests performed at 400 ° C and 700 ° C for two samples in the annealed state; figure 5 takes up two of the curves of figure 3 and shows measurement points from tests carried out at 400 ° C and 700 ° C by two samples in the cold worked state; and Figure 6 represents a component of an EGR system made in a steel composition according to the invention.
Descrever-se-á agora um certo número de ensaios que foram executados e que permitiram pôr em evidência as 12 propriedades de composições de aço que respondem à definição mencionada mais acima. A finalidade era testar tons conhecidos em aplicações que necessitam de uma resistência à fadiga a quente mas em condições menos difíceis de solicitação (tensões, vibrações, temperatura) ou que podem apresentar características suscetíveis de responder pelo menos parcialmente às características procuradas.A number of tests will now be described which have been carried out and which have made it possible to highlight the properties of steel compositions which correspond to the definition mentioned above. The purpose was to test known tones in applications which require a hot fatigue resistance but under less demanding conditions of stress (stresses, vibrations, temperature) or which may exhibit features that are at least partially responsive to the characteristics being sought.
Os ensaios assentaram sobre cinco tons referenciados de acordo com as suas designações mencionadas nas normas ASTM e NF EN, e com, para algumas de entre elas, a indicação da sua denominação corrente. Essas referências e denominações estão representadas no quadro 1 mais adiante:The tests were based on five tones referenced according to their designations mentioned in the ASTM and NF EN standards and, for some of them, the indication of their current denomination. These references and denominations are shown in Table 1 below:
Quadro 1Table 1
Designação Norma ASTM Norma NF corrente (designação UNS) EN 304L S30403 1.4307 309S S30908 1.4833 321 S32100 1.4541 S30415 1.4818 S30815 1.4835Designation ASTM Standard Standard NF (EN designation) EN 304L S30403 1.4307 309S S30908 1.4833 321 S32100 1.4541 S30415 1.4818 S30815 1.4835
Os três primeiros tons foram testados devido a aplicações conhecidas em setores tais como a siderurgia, as cimenteiras, o fabrico de peças para fornos.The first three shades were tested for known applications in sectors such as steelmaking, cement making, furnace parts manufacturing.
Os dois últimos tons são conhecidos pelas suas características refratárias, e parecia interessante à requerente conhecer as suas características de resistência à fadiga. 13The last two shades are known for their refractory characteristics, and it seemed interesting to the applicant to know their fatigue resistance characteristics. 13
Poucos elementos técnicos estão disponíveis nas bibliografias, publicações, etc., sobre a caracterização dos aços de resistência à fadiga a quente.Few technical elements are available in the bibliographies, publications, etc., on the characterization of the steels of resistance to hot fatigue.
Tanto o método de caracterização da resistência à fadiga dos aços é conhecido sob o seu título "Ensaios de fadiga" e descrito nas "Técnicas do engenheiro, tratado Materiais de metal" (referência M4 170),como as publicações sobre ensaios de resistência à fadiga a quente são em número limitado.Both the fatigue strength characterization method of steels is known under their title " Fatigue tests " and described in " Engineer Techniques, Treated Metal Materials " (reference M4 170), as the publications on tests of resistance to hot fatigue are in limited numbers.
Entre essas publicações pode citar-se um artigo publicado em "Steel Research 60 (1989) N° 8 em que se notará que os materiais testados foram os seguintes, como indicado no quadro 2 mais adiante:These publications include an article published in Steel Research 60 (1989) No. 8 where it will be noted that the materials tested were as follows, as shown in Table 2 below:
Quadro 2Table 2
Designação Norma ASTM Norma corrente (designação UNS) NF EN AISI 304 S30400 1.4301 AISI 409 1.4512 AISI 316 S31635 1.4571 TiDesignation Standard ASTM Standard standard (UNS designation) NF EN AISI 304 S30400 1.4301 AISI 409 1.4512 AISI 316 S31635 1.4571 Ti
Para nenhum dos tons testados pela requerente existiam elementos técnicos (ensaios, bibliografias, publicações, etc....) dando indicações sobre a resistência à fadiga a quente em condições de tensões (esforços) e de vibrações para as aplicações consideradas, especialmente para os circuitos EGR.For any of the tones tested by the applicant there were technical elements (tests, bibliographies, publications, etc ...) giving indications on the resistance to hot fatigue under conditions of tensions (stresses) and vibrations for the considered applications, especially for the EGR circuits.
Os produtos testados eram componentes tubulares obtidos de acordo com a gama de fabricação seguinte. A primeira matéria é uma banda com uma largura de 79,7 mm e 14 com uma espessura de 0,4 mm de acordo com a norma EN 10 217.7.The products tested were tubular components obtained according to the following manufacturing range. The first material is a band having a width of 79.7 mm and a thickness of 0.4 mm in accordance with EN 10 217.7.
Esses componentes tubulares foram obtidos por etapas de transformação indicadas mais adiante: - enformação, soldagem TIG e tratamento térmico em linha por indução (numa linha de soldagem automática (temperatura de 950°C por passagem numa bobina de indução de alguns segundos em marcha à velocidade de soldagem - 2 a 15m/mn) depois corte no ar para obter um tubo com um diâmetro de 24,8 mm e com uma espessura de 0,4 mm; - acabamento em linha com controlo não destrutivo seguido de um corte em segmentos aptos para a realização do componente final seguido por um controlo visual; - hidroformação de um segmento de tubo para formar "foles" por expansão; - tratamento térmico do componente de hidroformação a 1100°C.These tubular components were obtained by the following transformation steps: - forming, TIG welding and induction line heat treatment (in an automatic welding line (950 ° C temperature per pass in an induction coil of a few seconds running at high speed of welding - 2 to 15m / mn) then cut in the air to obtain a tube with a diameter of 24.8 mm and a thickness of 0.4 mm - in-line finishing with non-destructive control followed by a cut in suitable segments for the realization of the final component followed by a visual control; - hydroforming a tube segment to form blow belts; - thermal treatment of the hydroforming component at 1100 ° C.
Os componentes testados são componentes em bruto de hidroformação, portanto no estado de endurecimento, e componentes de hidroformação tratados termicamente (referidos igualmente recozidos). A caracterização é realizada por meio de um ensaio de tração repetido com uma relação de carga R = 0,1 que é a relação entre a tração mínima e a tração máxima, por exemplo tração mínima de + 10 daN e tração máxima de + 100 daN. 15The components tested are raw hydroforming components, therefore in the hardening state, and thermally treated hydroforming components (also referred to annealed). The characterization is carried out by means of a repeated traction test with a load ratio R = 0.1 which is the ratio between the minimum traction and the maximum traction, for example minimum traction of + 10 daN and maximum traction of + 100 daN . 15
Os ensaios de fadiga são executados: - à temperatura ambiente (20°C)The fatigue tests are carried out: - at room temperature (20 ° C)
- a 400°C- at 400 ° C
- a 700°C e em dois estados distintos: - componentes recozidos após hidroformação - componentes em bruto de hidroformação. A máquina utilizada é uma máquina de tração/compressão tal como representada esquematicamente na figura 1 dos desenhos anexados. Trata-se de uma máquina de fadiga de tração/compressão, sendo a frequência do ensaio de 15 Hz. A amostra testada é um componente tubular 1 que inclui uma parte central em forma de fole, cuja extremidade 2 está encaixada num sensor de força 3 e cuja extremidade oposta 4 é mantida num órgão de tomada 5 ao qual é aplicado uma força como indicado pela seta F. 0 objetivo dos ensaios foi definir sempre a curva de WÕHLER para cada material, para cada estado e para cada temperatura.- at 700 ° C and in two different states: - annealed components after hydroforming - raw hydroforming components. The machine used is a tensile / compression machine as shown schematically in Figure 1 of the accompanying drawings. It is a tensile / compression fatigue machine, the test frequency being 15 Hz. The sample tested is a tubular component 1 which includes a bellows-shaped central portion, the end 2 of which is engaged with a force sensor 3 and whose opposing end 4 is held in a take-off member 5 to which a force is applied as indicated by arrow F. The purpose of the tests was to always define the WÖHLER curve for each material, for each state and for each temperature.
Lembrar-se-á que a curva de WÕHLER é um diagrama de resistência obtido a partir de um ensaio de fadiga que consiste em submeter uma proveta a ciclos de forças periódicos, de amplitude máxima e de frequência constante e em anotar o número de ciclos N no fim do qual se produz a rutura. Refere-se esse número N, em geral numa escala logarítmica, em função da tensão máxima (σ) dos ciclos. A cada proveta corresponde um ponto do plano (σ,Ν), e a partir de um lote de provetas submetidas a tensões máximas 16 diferentes, obtém-se uma curva que tem um aspeto particular.It will be recalled that the WÖHLER curve is a resistance diagram obtained from a fatigue test consisting of subjecting a test tube to periodic, maximum amplitude and constant frequency cycles and recording the number of N cycles at the end of which the break occurs. This number N, usually on a logarithmic scale, is a function of the maximum stress (σ) of the cycles. Each point corresponds to a plane (σ, Ν), and from a batch of test tubes subjected to different maximum stresses 16, a curve is obtained which has a particular aspect.
Na maior parte dos casos, é possível traçar um ramo assintótico que corresponde ao limite da resistência ou limite de fadiga. A utilização de curvas de WÕHLER para determinar a resistência à fadiga de certos aços inoxidáveis já foi descrita pelo professor Erwin ROEDER em Steel Research 60 (1989) N°8, páginas 375-382, mas para aços diferentes dos da invenção. A figura 2 mostra quatro curvas de WÕHLER Ci, C2, C3, e C4 obtidas por quatro composições de aço que correspondem respetivamente aos tons 304L, 309S e 321 de acordo com a denominação corrente mencionada mais acima e 1.4818. No exemplo, os testes foram conduzidos à temperatura ambiente (20°C) e sobre amostras no estado de recozimento.In most cases, it is possible to trace an asymptotic branch that corresponds to the resistance limit or fatigue limit. The use of WÖHLER curves to determine the fatigue strength of certain stainless steels has already been described by Professor Erwin ROEDER in Steel Research 60 (1989) No.8, pages 375-382, but for steels other than those of the invention. Figure 2 shows four WÕHLER Ci, C2, C3, and C4 curves obtained by four steel compositions corresponding respectively to tones 304L, 309S and 321 according to the above-mentioned common denomination and 1.4818. In the example, the tests were conducted at room temperature (20 ° C) and on samples in the annealed state.
Constata-se que essas curvas têm cada uma uma forma característica como mencionado precedentemente.It will be appreciated that such curves each have a characteristic shape as mentioned above.
As curvas da figura 2 mostram que a composição de acordo com o tom 1.4818 (curva C4) apresenta desempenhos superiores aos outros tons e em particular ao tom 321 (curva C3) tomada como referência na indústria automóvel.The curves of Figure 2 show that the composition according to tone 1.4818 (curve C4) exhibits superior performances to the other tones and in particular to tone 321 (curve C3) taken as reference in the automotive industry.
Ensaios análogos foram conduzidos sobre cinco materiais mencionados mais acima a temperaturas de 20°C, 400°C e 700°C, respetivamente no estado de recozimento (estado A) e no estado trabalhado a frio, portanto endurecido (estado CW) 17 A figura 3 mostra quatro curvas de WÕHLER C5, Ce, C7 e Ce obtidas pelas quatro composições de aço da figura 2, correspondendo respetivamente aos tons 304L, 309S, 321, e 1.4818. Neste exemplo, os testes foram conduzidos à temperatura ambiente (20°C) e sobre amostras no estado trabalhado a frio.Analogous tests were conducted on five materials mentioned above at temperatures of 20 ° C, 400 ° C and 700 ° C, respectively in the annealed state (state A) and in the cold worked state (CW state) 3 shows four WÖHLER C5, Ce, C7 and Ce curves obtained by the four steel compositions of figure 2, corresponding respectively to tones 304L, 309S, 321, and 1.4818. In this example, the tests were conducted at room temperature (20 ° C) and on samples in the cold worked state.
As curvas da figura 3 mostram, lá também, que a composição de acordo com o tom 1.4818 (curva Cs) apresenta desempenhos superiores aos outros tons e em particular ao tom 321 (curva C7) tomada como referência. A figura 4 retoma as curvas C3 e C4 da figura 2 que correspondem respetivamente aos tons 321 e 1.4818 e resultam portanto de testes conduzidos à temperatura ambiente (20°C) e sobre amostras no estado de recozimento. Apresentaram-se além disso na figura 4 diferentes pontos provenientes de medidas efetuadas sobre os tons 321 e 1.4818 a partir de testes executados a 400°C e a 700°C, sempre sobre amostras no estado de recozimento. A figura 5 retoma as curvas C7 e Cs da figura 3 que correspondem respetivamente aos tons 321 e 1.4818 e resultam portanto de testes conduzidos à temperatura ambiente (20°C) e sobre amostras no estado trabalhado a frio. Apresentaram-se na figura 5 diferentes pontos provenientes de medidas efetuadas sobre os tons 321 e 1.4818 a partir de testes executados a 400°C e a 700°C sobre amostras no estado trabalhado a frio,The curves of Figure 3 also show that the composition according to tone 1.4818 (curve Cs) shows higher performances than the other tones and in particular the tone 321 (curve C7) taken as a reference. Figure 4 reproduces curves C3 and C4 of Figure 2 which correspond respectively to tones 321 and 1.4818 and thus result from tests conducted at room temperature (20 ° C) and on samples in the annealed state. 4 different points from measurements performed on tones 321 and 1.4818 were also presented from tests performed at 400 ° C and 700 ° C, always on samples in the annealed state. Figure 5 reproduces curves C7 and Cs of Figure 3 corresponding to tones 321 and 1.4818 and therefore result from tests conducted at ambient temperature (20 ° C) and on samples in the cold worked state. 5 different points from measurements performed on tones 321 and 1.4818 were shown in Figure 5 from tests performed at 400 ° C and 700 ° C on samples in the cold worked state,
Os resultados das figuras 4 e 5 mostram também bons desempenhos do tom 1.4818, relativamente ao tom 321, tomado como referência, em testes executados a temperaturas 18 elevadas (400°C e 700°C),tanto para amostras no estado de recozimento como para amostras no estado trabalhado a frio.The results of Figures 4 and 5 also show good performances of the 1.4818 tone, relative to the 321 tone, taken as reference, in tests performed at elevated temperatures (400 ° C and 700 ° C), both for samples in the annealed state and for samples in the cold worked state.
Os resultados obtidos a partir de cinco materiais testados precedentemente mencionados puseram em evidência, e contra todas as expectativas, desempenhos muito superiores ao que se pensava poder obter, sobre dois materiais testados, a saber os que correspondem aos tons 1.4818 e 1 .4835 de acordo com a norma NF EN. Esses resultados estão reunidos nos quadros 3 e 4 mais abaixo. 0 quadro 3 apresenta a resistência à fadiga a quente expressa em número de ciclos sob uma tensão de tração máxima de 300 MPa para os cinco materiais no estado de recozimento (estado A), respetivamente a 20°C, 400°C e 700°C. O quadro 4 é análogo ao quadro 3, com a diferença de que a tensão de tração máxima é de 800 MPa e que os cinco materiais estão no estado trabalhado a frio portanto endurecido (estado CW).The results obtained from the five previously tested materials have shown, against all expectations, far superior performances to what was thought to be possible, on two tested materials, namely those corresponding to tones 1.4818 and 1.4835 according to with the standard NF EN. These results are summarized in Tables 3 and 4 below. Table 3 shows the hot fatigue strength expressed in number of cycles under a maximum tensile stress of 300 MPa for the five materials in the annealed state (state A), respectively at 20 ° C, 400 ° C and 700 ° C . Table 4 is analogous to Table 3, except that the maximum tensile stress is 800 MPa and that the five materials are in the cold worked state so hardened (CW state).
Para facilitar a compreensão dos resultados, retiveram-se sucessivos limites seguintes expressos em número de ciclos: 200 000, 500 000. 1 000 000 e 2 000 000 de ciclos. A indicação apresentada nos quadros menciona o nível não atingido, ou atingido ou sensivelmente ultrapassado no momento dos ensaios, tendo sido superados os valores inferiores ao nível indicado, exceto no caso em que o valor mínimo indicado de 200 000 ciclos não pôde ser atingido. 19To facilitate understanding of the results, successive limits expressed in number of cycles were retained: 200,000, 500,000, 1,000,000 and 2,000,000 cycles. The indication given in the tables shows the level not reached or reached or substantially exceeded at the time of testing, with values below the indicated level being exceeded, except in cases where the indicated minimum value of 200 000 cycles could not be reached. 19
Quadro 3Table 3
Estado Tom conforme norma NF EN 1.4307 1.4833 1.4541 1.4818 1.4835 A 20°C Mais de Menos de Menos de Mais de Mais de 2.000.000 1.000.000 1.000.000 1.000.000 2.000.000 A 400°C Menos de Menos de Menos de Mais de Mais de 1.000.000 500.000 500.000 1.000.000 2.000.000 A 700°C Menos Menos de Menos de Mais de 1.000.000 500.000 200.000 500.000 1.000.000State Tone according to standard NF EN 1.4307 1.4833 1.4541 1.4818 1.4835 At 20 ° C More than Less than Less than More than 2,000,000 1,000,000 1,000,000 1,000,000 2,000,000 At 400 ° C Less than Less than Less than More than More than 1,000,000 500,000 500,000 1,000,000 2,000,000 At 700 ° C Less Less than Less than More than 1,000,000 500,000 200,000 500,000 1,000,000
Quadro 4Table 4
Estado Tom conforme norma NF EN 1.4307 1.4833 1.4541 1.4818 1.4835 CW 20°C Mais de Menos de Menos de Mais de Mais de 2.000.000 1.000.000 1.000.000 1.000.000 2.000.000 cw 400°C Menos de Menos de Menos de Mais de Mais de 1.000.000 500.000 500.000 1.000.000 2.000.000 CW 700°C Menos Menos de Ntenos de Mais de 1.000.000 500.000 200.000 500.000 1.000.000State Tone as per NF standard EN 1.4307 1.4833 1.4541 1.4818 1.4835 CW 20 ° C More than Less than Less than More than 2,000,000 1,000,000 1,000,000 1,000,000 2,000,000 cw 400 ° C Less than Less than Less than More than More than 1,000,000 500,000 500,000 1,000,000 2,000,000 CW 700 ° C Less Less than Numbers of More than 1,000,000 500,000 200,000 500,000 1,000,000
Da análise dos resultados que figuram nos quadros 3 e 4 acima, resulta que aos tons 1.4818 e 1.4835 oferecem desempenhos globalmente superiores aos três outros tons testados, e em particular às temperaturas de 400°C e de 700°C, visto que o limite de 1 000 000 de ciclos é atingido e mesmo na maior parte dos casos ultrapassado, enquanto os desempenhos dos três outros tons são sensivelmente muito inferiores à temperatura de 700°C que é a temperatura mais representativa das condições de utilização. nas suasFrom the analysis of the results shown in Tables 3 and 4 above, it can be seen that at tones 1.4818 and 1.4835 they offer overall performances above the three other tones tested, and in particular at temperatures of 400 ° C and 700 ° C, since the limit of 1 000 000 cycles is reached and even in most cases exceeded, while the performances of the three other tones are substantially much lower than the temperature of 700 ° C which is the most representative temperature of the conditions of use. On your
Os cinco materiais precedentes são igualmente conhecidos pela sua resistência à corrosão condições de utilização. 20 São igualmente conhecidos por poderem suportar operações de deformação a frio com alongamentos mínimos de 40%. A figura 6 representa um componente, ou peça, de um sistema EGR realizado a partir de uma composição de aço de acordo com a invenção. Esse componente é aqui um tubo EGR designado no seu conjunto pela referência 6. O tubo 6 compreende uma parte central 7 em forma de fole, no exemplo arqueada, compreendida entre duas extremidades 8 e 9 terminada por colares respetivos 10 e 11. Um tal tubo apresenta uma resistência elevada à fadiga a quente e pode ser atravessado por gases de escape a temperaturas que podem atingir, até mesmo ultrapassar 700°C, estando submetido a vibrações elevadas. A presença do fole permite compensar as variações de dilatação devidas à temperatura. A peça da figura 6 apenas constitui um exemplo entre outros componentes que podem ser realizados a partir de tubos de uma composição de acordo com a invenção. Tratando-se de um tubo EGR, este pode não só servir de tubo de passagem para transportar gases de escape, mas também de tubo de troca de calor no contacto com um fluido de arrefecimento.The five preceding materials are also known for their corrosion resistance conditions of use. They are also known to be able to withstand cold forming operations with minimum stretches of 40%. Figure 6 shows a component, or part, of an EGR system made from a steel composition according to the invention. This component is an EGR tube designated as a whole by reference 6. The tube 6 comprises a bellows-shaped central portion 7, in the arcuate example, comprised between two ends 8 and 9 terminated by respective collars 10 and 11. Such a tube presents a high resistance to hot fatigue and can be traversed by exhaust gases at temperatures that can reach, even exceed 700 ° C, being subjected to high vibrations. The presence of the bellows allows compensating for variations in temperature due to expansion. The part of figure 6 is only an example among other components which can be made from tubes of a composition according to the invention. In the case of an EGR tube, it can not only serve as a passage tube for transporting exhaust gases but also a heat exchange tube in contact with a cooling fluid.
Lisboa, 17 de Maio de 2012Lisbon, May 17, 2012
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